5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)與雙模5G基站

蔡博文 張化 郭瀚 謝偉良

【摘? 要】2020年5G網(wǎng)絡(luò)將大規(guī)模商用，為更高效部署5G網(wǎng)絡(luò)，在全面梳理5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與演進(jìn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了雙模5G基站的原理，并結(jié)合外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)雙模5G基站的測(cè)試性能進(jìn)行了分析，最后對(duì)后續(xù)電信運(yùn)營商部署5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建議。

【關(guān)鍵詞】 5G網(wǎng)絡(luò);雙?；?NSA;SA

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.010? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）04-0045-05

引用格式：蔡博文，張化，郭瀚，等. 5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)與雙模5G基站[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（4）： 45-49.

5G Network Evolution and Dual-Mode 5G Base Station

CAI Bowen， ZHANG Hua， GUO Han， XIE Weiliang

（China Telecom Research Institute， Beijing 102209， China）

[Abstract]

5G network will be widely commercialized in 2020. In order to deploy 5G networks more efficiently， this paper investigates the principle of dual-mode 5G base stations based on a comprehensive review of 5G network architecture and evolution， and analyzes the testing performance of dual-mode 5G base stations with the field test data. Finally， recommendations are provided to subsequent telecom operators for 5G network deployment.

[Key words]5G network; dual-mode base station; NSA; SA

0? ?引言

自2019年6月6日工信部向電信運(yùn)營商發(fā)放5G牌照以來，運(yùn)營商不斷加快5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)步伐。5G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式分為NSA和SA兩種，NSA模式只支持大帶寬的業(yè)務(wù)，SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以為千行百業(yè)提供5G網(wǎng)絡(luò)超低時(shí)延、端到端網(wǎng)絡(luò)切片等特性。

由于5G網(wǎng)絡(luò)必然要完成NSA向SA網(wǎng)絡(luò)的過渡，為了實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)和減少網(wǎng)絡(luò)改造，產(chǎn)業(yè)界提出了一種NSA/SA雙模5G基站。雙模5G基站可以同時(shí)支持NSA和SA設(shè)備接入，部署雙?；究梢允沟秒娦胚\(yùn)營商能在未來5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，既能保障5G NSA組網(wǎng)架構(gòu)快速商用的訴求，也能在當(dāng)前行業(yè)需求爆發(fā)式增長環(huán)境下，從容應(yīng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)從NSA向SA的快速切換和平滑演進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)5G全業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

1? ? 5G組網(wǎng)架構(gòu)

5G NR組網(wǎng)架構(gòu)相對(duì)4G更為靈活，隨著3GPP對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)的加速推進(jìn)，NSA和SA組網(wǎng)方案中各種選項(xiàng)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)都已凍結(jié)。由于NSA組網(wǎng)方案中部分選項(xiàng)無需5GC，可依托運(yùn)營商4G網(wǎng)絡(luò)以LTE做錨點(diǎn)，具有部署快的優(yōu)勢(shì)，使得運(yùn)營商在5G初期能快速實(shí)現(xiàn)大帶寬業(yè)務(wù)。然而受垂直物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)，SA架構(gòu)才是運(yùn)營商未來的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。原因是SA為滿足eMBB、URLLC和mMTC三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景的全業(yè)務(wù)需求提供了可能，支持網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算等新技術(shù)應(yīng)用。對(duì)于多數(shù)運(yùn)營商來說，NSA的普遍選擇方案是Option 3x，SA的普遍選擇是Option 2[1]。

Option 3系列架構(gòu)采用4G基站（eNB）作為主節(jié)點(diǎn)（Master Node），5G基站（gNB）作為輔助節(jié)點(diǎn)（Secondary Node）的雙連接架構(gòu)，稱之為EN-DC（EUTRA-NR Dual Connection）。EN-DC雙連接場(chǎng)景中，UE連接到作為主節(jié)點(diǎn)的eNB和作為輔節(jié)點(diǎn)的gNB，其中eNB通過S1-MME和S1-U接口分別連接到MME和S-GW，并同時(shí)通過X2-C和X2-U接口連接到gNB，gNB也可以通過S1-U接口連接到S-GW，連接示意圖如圖1所示：

Option 3所有的控制面信令都經(jīng)由eNB轉(zhuǎn)發(fā)。Option 3又可以分為Option 3/3a/3x三個(gè)子選項(xiàng)，分別通過eNB/EPC/gNB進(jìn)行數(shù)據(jù)分流。三種架構(gòu)中，Option 3對(duì)LTE基站吞吐量以及與5G NR基站之間X2接口的傳輸要求較高;Option 3a要求LTE基站具備較為靈活的機(jī)制選擇用戶承載面的錨點(diǎn)，并能動(dòng)態(tài)調(diào)整，但對(duì)X2接口的傳輸要求較低;Option 3x在控制面由4G基站作為錨點(diǎn)直接與4G核心網(wǎng)網(wǎng)元MME相連，用戶數(shù)據(jù)流量的分流和聚合在5G基站完成，5G基站可直接傳送到終端，也可通過X2-U接口將部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到4G基站再傳送到終端。綜上所述，Option 3x網(wǎng)絡(luò)可以充分利用已有4G網(wǎng)絡(luò)的良好覆蓋作為網(wǎng)絡(luò)的控制面?zhèn)鬏?，因此運(yùn)營商普遍用此方案部署NSA網(wǎng)絡(luò)。

Option 2架構(gòu)中，5G核心網(wǎng)與5G基站通過NG接口直接相連，傳遞NAS信令和數(shù)據(jù)，5G無線空口的RRC信令、廣播信令、數(shù)據(jù)都通過5G基站的NR空口直接傳遞。Option 2架構(gòu)對(duì)現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無影響，可獨(dú)立部署5G新網(wǎng)元。Option 2架構(gòu)如圖2所示，支持5G核心網(wǎng)能力，并可提供支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶和基礎(chǔ)低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)的能力，為不同的業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)，便于拓展垂直行業(yè)，提供5G網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等新功能。

由于NSA與SA兩種組網(wǎng)方案在產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上存在一定差異，同時(shí)考慮到國際NSA用戶漫游需求，因此運(yùn)營商在部分場(chǎng)景下需要部署NSA/SA雙模網(wǎng)絡(luò)來同時(shí)支持NSA用戶和SA用戶的接入。由于NSA和SA網(wǎng)絡(luò)在NR空口協(xié)議上基本一致，只在無線網(wǎng)絡(luò)高層協(xié)議上存在一定差異，所以在一套NR無線網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)支持NSA用戶和SA用戶成為可能[2]。

2? ? 雙模5G基站技術(shù)

2.1? 雙模5G基站架構(gòu)和調(diào)度

雙模5G基站NR側(cè)同時(shí)運(yùn)行Option 3和Option 2兩種架構(gòu)，可以同時(shí)支持SA和NSA兩種類型的終端接入。如圖3所示，雙模5G基站通過NG接口連接到核心網(wǎng)5GC，即通過NC-C接口與AMF（接入和移動(dòng)性管理功能）實(shí)體連接，通過NG-U接口與UPF（用戶平面功能）實(shí)體連接。雙?；究梢酝ㄟ^S1接口接入EPC，也可以通過X2接口連接eNodeB。4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)之間可通過N26接口連接。

以NSA模式接入雙模5G基站的用戶，LTE eNodeB作為主基站（MeNB），5G gNodeB作為輔基站（SeNB）。根據(jù)數(shù)據(jù)分離和轉(zhuǎn)發(fā)方式的不同，雙模5G基站的無線承載（Radio Bearer）分為三種形式（如圖4所示）。圖4? ? 雙模5G基站無線承載示意圖

MCG（Master Cell Group，主小區(qū)群）承載：MCG承載是傳統(tǒng)的承載模式。MCG承載從核心網(wǎng)的S-GW路由到MeNB，并由MeNB直接轉(zhuǎn)發(fā)給UE，即只從LTE側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

SCG（Secondary Cell Group，輔小區(qū)群）承載：SCG承載從核心網(wǎng)的S-GW路由到SeNB，再由SeNB轉(zhuǎn)發(fā)給UE，即只從雙?；綨R側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

Split承載：Split承載在基站側(cè)進(jìn)行分離，由MeNB和SeNB按分離比例同時(shí)向UE轉(zhuǎn)發(fā)，即LTE和NR共同完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。用戶從2個(gè)系統(tǒng)中獲取下行數(shù)據(jù)，便于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分擔(dān)和資源協(xié)調(diào)功能，也有利于提高用戶速率。其缺點(diǎn)在于，對(duì)基站間傳輸要求高，MAC層協(xié)議復(fù)雜性要求高，且基站間傳輸鏈路需要實(shí)現(xiàn)流控等功能。

雙?；镜某休d分離在PDCP（Packet Data Conver-gence Protocol）層進(jìn)行，兩個(gè)接入點(diǎn)可獨(dú)立進(jìn)行物理層資源的調(diào)度。如果雙?；娟P(guān)閉Split分流模式，可以簡化為LTE和NR MAC層各自調(diào)度，NR側(cè)NSA和SA用戶等優(yōu)先級(jí)調(diào)度，LTE側(cè)在NR中低負(fù)載時(shí)僅LTE用戶調(diào)度[3]。

2.2? 雙?；窘尤肱c切換

雙模基站在初始接入時(shí)，對(duì)于SA的終端，優(yōu)先選擇SA模式接入，接入成功后自動(dòng)駐留5G小區(qū)，否則回落到LTE。對(duì)于NSA終端，優(yōu)先從LTE接入，始終駐留在LTE小區(qū)，根據(jù)雙?；靖采w情況選擇LTE only或NSA狀態(tài)。

如圖5所示，由于LTE基站和雙?；镜恼局泛透采w存在差異。對(duì)于NSA用戶，在雙模基站小區(qū)邊緣存在5G載波的配置和去配置過程，而SA用戶在NR覆蓋連續(xù)時(shí)，僅存在NR切換[4]。

2.3? 雙?；窘M網(wǎng)

雙?；局g可以通過Xn接口連接。雙?；竞蚅TE基站eNB間通過X2接口連接。雙?；就ㄟ^NR新空口向SA UE提供NR用戶面、控制面連接。對(duì)于NSA終端而言，LTE制式的eNB作為UE的主基站（即MeNB），NR制式的en-gNB作為輔基站（即SgNB）[5]。

雙?；揪唧w組網(wǎng)方式有以下兩種：

（1）雙?；具B片組網(wǎng)。雙?；具B片部署，雙?；緟^(qū)域內(nèi)同覆蓋的LTE基站需要升級(jí)支持雙?；綥TE側(cè)的相關(guān)功能。終端需要能夠在雙?；局g正常切換。

（2）雙?；九cNSA/SA基站相鄰組網(wǎng)。雙模基站以插花的方式部署在NSA/SA網(wǎng)絡(luò)中。同樣，雙模基站區(qū)域內(nèi)同覆蓋的LTE基站需要升級(jí)支持雙?；綥TE側(cè)的相關(guān)功能。終端需要能夠在雙?；局g、雙模基站與SA/NSA基站間正常切換。

2.4? 雙?；緝?yōu)劣分析

雙?；究赏ㄟ^軟件配置實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)由NSA組網(wǎng)向SA演進(jìn)時(shí)，只需要對(duì)基站進(jìn)行軟件配置升級(jí)即可，使得運(yùn)營商在硬件投資上一步到位，達(dá)到“網(wǎng)絡(luò)一次投資，長遠(yuǎn)演進(jìn)”的目的。另外，雙?；疽粋€(gè)載波能夠支持兩種制式的終端接入，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)最終升級(jí)到SA時(shí)，終端用戶也無需更換手機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正的平滑演進(jìn)。

雙模5G基站功能更復(fù)雜，優(yōu)化和維護(hù)難度大。雙?；拘枰С諲SA和SA基站的所有功能，既需要支持與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)NSA功能，又需要部署5G核心網(wǎng)以支持SA的新功能，功能上更為復(fù)雜。同時(shí)，雙模5G基站組網(wǎng)需要考慮4G、5G聯(lián)合優(yōu)化，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和優(yōu)化難度，雙?；拘枰S護(hù)X2、NG和S1三種接口，需要完成NSA和SA兩套參數(shù)配置和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)的難度更高[6]。

3? ? 雙?；緶y(cè)試

3.1? 性能指標(biāo)

圖6為雙模5G基站下行定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，以SA等比例映射。從測(cè)試結(jié)果看，在遠(yuǎn)中近點(diǎn)位，SA終端的下行速率優(yōu)于NSA。NSA Split模式速率因可以從LTE側(cè)分流，進(jìn)而在遠(yuǎn)中近點(diǎn)處速率高于NSA SCG模式。

圖7為控制面時(shí)延測(cè)試外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。從時(shí)延測(cè)試結(jié)果來看，LTE終端控制面時(shí)延和SA終端控制面時(shí)延基本相當(dāng)，NSA終端控制面時(shí)延較高，相當(dāng)于LTE終端或SA終端控制面時(shí)延的一倍。統(tǒng)計(jì)SA平均控制面時(shí)延在84 ms左右，近中遠(yuǎn)點(diǎn)位無明顯區(qū)別。LTE平均控制面時(shí)延在93 ms左右，近中遠(yuǎn)點(diǎn)位無明顯區(qū)別。NSA平均控制面時(shí)延在180 ms左右，近中遠(yuǎn)點(diǎn)位無明顯區(qū)別。其中NSA控制面信令在LTE側(cè)承載，與LTE的時(shí)延對(duì)比增加了87 ms左右，主要差異是NSA終端接入雙模基站時(shí)需要進(jìn)行兩次UE能力級(jí)查詢，包括LTE能力和NR能力，這將導(dǎo)致控制面時(shí)延增加。而SA終端和LTE終端只需要進(jìn)行一次UE能力查詢。

3.2? 雙?；緦?duì)現(xiàn)網(wǎng)影響

圖8為雙模基站開啟前后CPU利用率的變化。在雙模站點(diǎn)開啟后，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)網(wǎng)NSA用戶數(shù)較少，基站負(fù)荷無明顯增加，CPU利用率基本保持一致。從現(xiàn)網(wǎng)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，雙?；鹃_啟前后對(duì)現(xiàn)網(wǎng)LTE主要指標(biāo)沒有明顯影響。

4? ?結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)還需要很長一段時(shí)間才能完成，雙模5G基站可以同時(shí)支持NSA和SA用戶的接入，使得網(wǎng)絡(luò)可以從NSA向SA有序演進(jìn)。電信運(yùn)營商可以優(yōu)先部署雙模基站，利用NSA模式滿足大量移動(dòng)設(shè)備eMBB的場(chǎng)景需求。待產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，可以進(jìn)一步部署5G核心網(wǎng)，滿足更多的場(chǎng)景需求。

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作者簡介

蔡博文（orcid.org/0000-0001-8149-4978）：碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信研究院，主要從事移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)、5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和無線接入技術(shù)的研究工作。

張化：助理工程師，碩士畢業(yè)于悉尼大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信研究院，主要從事移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和5G無線技術(shù)研究工作。

郭瀚：助理工程師，碩士畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信研究院，主要研究方向?yàn)?G標(biāo)準(zhǔn)和無線接入新技術(shù)等。